唐嘉+何彬彬+郝白東+張李軒+何文達(dá)

摘 要

本手環(huán)設(shè)計本身添加了市面上智能手環(huán)的相關(guān)功能，能夠?qū)崿F(xiàn)顯示時間、測量步數(shù)、熱量、鬧鐘等功能。因此本設(shè)計也適用于普通的使用者，在能夠擁有智能手環(huán)的便捷同時。他們也能夠在安靜的環(huán)境下進(jìn)行電話的保密接聽和絲毫不會影響外界地聽自己喜歡音樂。

【關(guān)鍵詞】骨傳導(dǎo) 聲音 藍(lán)牙 通話 語音識別

手環(huán)是一種穿戴式智能設(shè)備。通過這款手環(huán)，用戶可以記錄日常生活中的步數(shù)、熱量等實時數(shù)據(jù)。

1 功能與指標(biāo)

電話接聽、掛斷與回?fù)?；通過語音識別指令，控制設(shè)備進(jìn)行音樂播放、暫停、下一首、上一首、音量加減；手環(huán)的時間顯示、鬧鐘設(shè)定；手環(huán)步數(shù)計算、熱量計算；手環(huán)將聲音通過骨頭傳導(dǎo)的方式收聽

2 實現(xiàn)原理

藍(lán)牙通信在手環(huán)中是最重要的一部分，同時也是最難的一部分，藍(lán)牙通信涉及到通信協(xié)議，以及與手機建立連接。藍(lán)牙技術(shù)是一項新型的無線通信技術(shù)，其中藍(lán)牙的規(guī)范也有很多，藍(lán)牙通信是一個完整的通信協(xié)議體系，其中覆蓋了射頻、基帶、鏈路控制與管理、語音和數(shù)據(jù)編碼等技術(shù)，包括了完整的OSI參考模型物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層，涉及了IEEE802.3、IEEE802.15和IETF-RFC等許多國際協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 語音識別原理

語音識別部分能夠很簡單的識別語音命令，實現(xiàn)語音識別功能?？筛鶕?jù)應(yīng)用場景的不同自主配置語音命令列表，極大的拓展了其應(yīng)用領(lǐng)域。語音識別部分采用非特定人語音識別算法，使用前不需要進(jìn)行錄音和訓(xùn)練，不論男女，要求用戶使用的是標(biāo)準(zhǔn)普通話，可以得到最好的識別效果。

2.2 步數(shù)計算原理

手環(huán)步數(shù)計算使用的是MPU6050陀螺儀，陀螺儀通過姿態(tài)分解以及計算，通過判斷人體運動的姿勢來記步，記步時采用七步記步法算法記步。然后通過步數(shù)來估算人體所消耗的熱量。

2.3 時間顯示原理

時間顯示使用STM32內(nèi)部集成的RTC時鐘，時鐘通過秒的自動累加來進(jìn)行計時，將秒數(shù)轉(zhuǎn)換為年、月、日、時、分、秒。通過在學(xué)過的C語言算法進(jìn)行閏年閏月的計算。

RTC是個獨立的定時器。RTC模塊擁有一個連續(xù)計數(shù)的計數(shù)器，在相應(yīng)的軟件配置下，可以提供時鐘日歷的功能。修改計數(shù)器的值可以重新設(shè)置當(dāng)前時間和日期。RTC模塊和時鐘配置系統(tǒng)（RCC_BDCR寄存器）是在后備區(qū)域，即在系統(tǒng)復(fù)位或從待機模式喚醒后RTC的設(shè)置和時間維持不變。但是在系統(tǒng)復(fù)位后，會自動禁止訪問后備寄存器和RTC，以防止對后備區(qū)域（BKP）的意外寫操作。

RTC核心由一組可編程計數(shù)器組成。分兩個主要模塊：

（1）第一個是RTC預(yù)分頻模塊，它可以編程產(chǎn)生最長1秒的RTC時間基TR_CLK。如果設(shè)置了秒中斷允許位，可以產(chǎn)生秒中斷。

（2）第二個是32位的可編程計數(shù)器，可被初始化為當(dāng)前時間。系統(tǒng)時間按TR_CLK周期累加并與存儲在RTC_ALR寄存器中的可編程時間相比，當(dāng)匹配時候如果設(shè)置了鬧鐘中斷允許位，可以產(chǎn)生鬧鐘中斷。

3 硬件框圖

本次耳語手環(huán)的硬件包括了以下部分：MCU核心控制器、MPU姿態(tài)傳感器、OLED顯示屏、振動模塊、骨傳導(dǎo)模塊、藍(lán)牙、觸摸按鍵、語音識別。

其MCU核心控制器用作主控，通過下載編程的方式來控制其他部分；MPU姿態(tài)傳感器用于姿態(tài)解析從而計步；OLED顯示屏用于顯示界面的顯示，顯示出步數(shù)、時間等；震動模塊用于震動提示，如來電提示；骨傳導(dǎo)模塊用于將音頻信號通過骨頭傳播，從而使得能夠聽見音頻；藍(lán)牙用于與手機電腦等設(shè)備連接，從而進(jìn)行通信，盡心來電提示、接通電話、掛斷電話、聽音樂等操控；觸摸按鍵用于屏幕的熄屏喚醒等操作；語音識別則用于識別使用者語音指令，從而進(jìn)行控制設(shè)備，設(shè)備所有的操作都能夠通過語音的方式來實現(xiàn)：來電接通電話、掛斷電話、播放音樂等操作。

4 軟件流程圖

本設(shè)計的程序方便主要包括兩三個部分，其一為手環(huán)的基礎(chǔ)功能，其二為手機通話功能，其三為現(xiàn)場轉(zhuǎn)化功能。

第一部分為基礎(chǔ)功能，主要為系統(tǒng)的初始化和對時間、步數(shù)、熱量等的記錄。首先系統(tǒng)進(jìn)行一系列初始化，如STM32、MPU6050和藍(lán)牙模塊的運行監(jiān)測，當(dāng)硬件初始化通過時，藍(lán)牙模塊開始建立與手機之間的匹配直至成功，隨后系統(tǒng)開始記錄時間等相關(guān)數(shù)據(jù)的記錄，當(dāng)確定進(jìn)入運動狀態(tài)時，開始記錄步數(shù)，并由OLED 依次顯示。

第二部分為手機通話功能，當(dāng)手機發(fā)出通話請求時，藍(lán)牙會接受信號隨后手環(huán)開始震動以提示用戶并等待通話確認(rèn)，當(dāng)使用者通過安檢或者語音命令確認(rèn)完成之后，便可以直接開始通話，使用者將手指放到耳朵附近的頜骨處，聲音變換為震動，從手腕到手指再到頜骨，而手環(huán)背部的咪頭則能記錄使用者的話語，并通過藍(lán)牙傳遞給手機。由此便完成接聽和對話。當(dāng)使用者再次按下按鍵或者使用語音命令時，通話便可結(jié)束。

第三部分為現(xiàn)場轉(zhuǎn)化功能，該功能的主要目的是解決耳聾患者在與人現(xiàn)場交流時的困難，開啟該功能需要長按手環(huán)上的按鍵便向MCU發(fā)送交談轉(zhuǎn)換請求，隨后咪頭接收語音信號并將引號轉(zhuǎn)化為震動，由此使用者便能通過手環(huán)將原本無法聽到的聲音信號由骨傳導(dǎo)聽到。直到下一次長按按鍵之后，結(jié)束轉(zhuǎn)換。

5 結(jié)論

作品制作用時將近半年時間，本作品以智能手環(huán)為基礎(chǔ)，通過藍(lán)牙建立無線連接方式，藍(lán)牙部分是重點也是難點部分，涉及到復(fù)雜的藍(lán)牙協(xié)議，與手機的配對方法以及如何將手機的來電信息識別并且輔助手機進(jìn)行電話的接聽。由于考慮手環(huán)體積小使用方便座椅沒有采用按鍵，直接使用語音識別芯片進(jìn)行語音指令控制電話的接聽與掛斷、音樂的播放與暫停、音樂的換曲以及音量的調(diào)節(jié)。然后就是步數(shù)的計算通過使用陀螺儀將陀螺儀放在手上，通過判斷手腕的姿勢以及加速度進(jìn)行步數(shù)的計算。以上功能基本是所有手環(huán)都具有的功能，我們所做的手環(huán)的亮點在于，我們將骨傳導(dǎo)與智能手環(huán)結(jié)合到了一起，首次采用了手環(huán)的骨傳聲概念相結(jié)合。我們通過采用骨傳導(dǎo)的方式改變了手環(huán)接聽電話聲音的傳播路徑，將傳統(tǒng)的聲音接聽轉(zhuǎn)換成了骨頭傳聲，既給用戶帶來了便利又提高了聲音的傳輸效率。

參考文獻(xiàn)

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作者單位

黑龍江科技大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 黑龍江省哈爾濱市 150022endprint